水性纳米光固化涂料的应用探讨

data-full-width-responsive="true"> 紫外光或太阳能固化涂料是一种环保节能型的有机涂料，它具有无或低VOC排放、节能、固化速度快、生产效率高、固化温度低等优点。纳米杂化复合技术是纳米科技的主要应用方法之一，在制备有机/无机纳米复合材料过程中，解决纳米颗粒的分散与稳定问题一直备受关注，其中最为广泛研究的是纳米SiO2及其表面改性。UV固化有机硅/SiO2杂化材料是一种新型的材料，本文利用溶胶-凝胶技术和纳米杂化技术，选用KH570作其表面改性剂，并与有机硅复合，研制出一种新型的水性纳米光固化涂料，并探讨其在太阳光或中压汞灯照射下于建筑抛光砖、水泥砂浆、水磨石等表面防护处理中的应用。1 实验部分11 主要原料硅溶胶(pH=3~4，固含量30%)、水性有机聚硅氧烷、含硅氟表面活性剂等为工业品。12 水性纳米光固化涂料配制按图1中的方法在室温下制备水性纳米光固化涂料。13 膜的制备按图1所示的方法配制水性纳米涂料在干净平整的玻璃片及表面未处理的抛光砖、水泥砂浆、水磨石等底材上涂胶，振动让其自然流平，然后在中压汞灯(1 kW)下或太阳光下照射，膜厚保持在10~20m之间。14 仪器和测试方法用日本rma角度计式接触角测定仪测量涂料在玻璃片上光固化成膜后表面的水接触角。日本电子公司JEM-CX100 Ⅱ型透射电子显微镜。按照GB/T6739－1996、GB/T 1720－1989、GB1763－1979标准测试涂膜的铅笔硬度、附着力、耐化学试剂性。15 防污性测试将水性涂料处理并经光固化的抛光砖分别进行墨水、油性笔、水泥浆等防污性能测试。将污染物墨水滴在经防护液表面处理过的抛光砖表面，保留一段时间，然后用清水擦洗，或者将油性笔在砖表面做记号，一段时间后用乙醇擦洗，考察其表面对各种污渍的防污、抗污效果。水泥浆试验是将水泥浆涂在砖表面上，然后用穿皮鞋的硬脚底面用力踩踏多次，最后用水清洗和干净的湿布擦抹干净，观察砖表面的抗磨损能力和防污性能。2 结果与讨论21 水性涂料透射电镜表征将有机硅偶联剂-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(即KH570)与不同量的水性纳米硅溶胶在催化剂作用下于室温搅拌混合均匀后，分别测量其复合前后的透射电镜TEM谱图，观察纳米粒子的形态和粒径。图2的右图是纳米硅溶胶用量较多时水性涂料的TEM谱图，图3是有机硅用量较多时制备的水性涂料经OsO4负染色后得到的TEM。图2表明纳米硅溶胶粒子形态改性后与改性前(左图)相比没有明显变化，测得纳米粒子平均粒径为10~20 nm。图3表明水溶液中同时存在纳米小颗粒和微米尺寸大颗粒两种结构的粒子。22 水性涂料IR表征通过测定水性涂料光固化后透明固体的IR光谱图来确定其复合情况 (见图4)。由图4可见，在3200~3600 cm-1的强宽吸收峰为SiOH吸收峰，在2969 cm-1附近出现SiR键中烷基R的CH伸缩振动峰。纳米SiO2在水性有机硅溶液中分散均匀并与其发生了强的相互作用。纳米SiO2表面有很多活泼的羟基，硅烷偶联剂对其具有较强的亲和性，容易在介质中穿过溶胶的稳定层通过化学键合、静电相互作用或吸附层状介质对纳米粒子表面进行修饰 (见图5)。3 水性纳米光固化涂料的应用探讨水性产品以水为分散介质，具有显著的价格优势和经济环保节能减排的优点，可部分取代溶剂型产品。但是，传统的水性涂料存在耐水性和粘附力差以及强度低等问题。由于聚硅氧烷中SiOSi、OSiO键角大，分子链柔顺，表面能小，聚合物的玻璃化转变温度Tg低，因此现有市场上使用的有机硅涂料普遍存在强度小和粘附力低等缺点。水性有机硅防水剂甲基硅酸钾、甲基硅酸钠等，存在着固化慢、存在大量的盐分、易与无机颜料反应而变色、雨水容易冲蚀涂层等弊病；有机聚硅氧烷乳液则存在渗透性不佳、固化不足以及硬度低等缺陷，远不能满足实际需要。要达到理想的防护耐久效果，低表面能疏水涂料还必须具有足够的表面硬度和耐磨性，这样既可预防和减少污染物在表面的吸附和积聚，又可把表面的污染物在外力作用下用水清洗干净。特别是地面上的抛光砖，要承受巨大的人体压力，没有足够的强度耐磨性能则难于达到持久防污的目的。有机/无机纳米杂化材料具有高硬度、耐磨、热稳定性好和耐久性强的性质，尤其具有显著的力学强度、优良的光学透明性和良好的附着力等特点。因此我们采用溶胶-凝胶技术和纳米杂化技术，提高传统水性涂料的憎水性与表面硬度，改善其防污防腐性能。无机纳米SiO2经含不饱和双键的KH570表面改性后与有机聚硅氧烷具有更好的相容性，两者在水溶液中能够均匀分散，经光引发剂TPO引发双键发生键合成高硬度的透明聚合物复合涂层。图6显示了我们研制的水性纳米涂料处理抛光砖后表面光亮度、耐墨水污染和油性笔污染的情况。不需要高温处理，在低表面能有机硅氟材料的存在下，水性涂料具有很强的渗透性能，在室温下就能渗透进砖体微孔内部，光固化后粘附力高达1级，涂层表面具有较高的硬度(6H以上，见表1)。水接触角在98以上，具有显著的憎水防污性能，不仅能防颗粒状污染源(碳素黑墨水)和有机污染源(染料型蓝墨水和红墨水)长时间的渗透污染，还能防无机粒子(水泥)在外力作用下的污染。能用乙醇溶剂清洗掉油性笔写字留下的痕迹而不破坏砖体的表面结构，可使防污持久有效，耐溶剂溶解腐蚀。水性纳米光固化涂料的主要性能见表1。自然界的荷叶疏水现象揭示了纳米和微米结构相结合的表面可产生显著的疏水性。进一步的研究表明，通过调整配方和施工工艺，可使水性纳米涂料纳米和微米结构同时出现 (见图3)，在成膜过程中有机硅氟烷在表面自组装成具有一定的有序排列结构，憎水基团排向空气一侧，可反应性基团与纳米或微米颗粒表面的基团反应，不仅可使涂层具有强的粘附性(附着力1级)，而且可使涂层表面具有一定的表面粗糙度又具有低能表面。此时水接触角高达125以上，表面憎水防污性强，硬度高耐磨性好，还可防止湿滑。进一步的试验表明，水性涂料在常温下经太阳光照射固化后涂层聚合物玻璃化温度Tg高达250℃(见图7)，具有优良的耐磨性能。水性纳米光固化涂料对于水泥制品如文化石、水泥砂浆(图8)、水磨石(图9)等亲水基材表面处理后，可使制品表面光亮并能提高其表面强度及憎水防污效果。也可在室外借助太阳光中的紫外线将其深固化，用作外墙保护涂料，具有优良的耐候性能。4 结束语本文研制的水性纳米光固化涂料具有快速固化、经济、环保节能的特点，固化物具有良好的憎水防污、高亮度、高硬耐磨和防腐效果，根据需要可方便制备具有不同细微粗糙防滑防污耐磨表面，在建材表面防护处理及内外墙涂料领域中具有广阔的应用前景。